CN112859539B

CN112859539B - 一种x射线曝光装置

Info

Publication number: CN112859539B
Application number: CN202110084626.5A
Authority: CN
Inventors: 李以贵; 范若欣; 赖丽燕; 王欢; 张成功
Original assignee: Shanghai Institute of Technology
Current assignee: Shanghai Institute of Technology
Priority date: 2021-01-21
Filing date: 2021-01-21
Publication date: 2022-11-11
Anticipated expiration: 2041-01-21
Also published as: CN112859539A

Abstract

本发明涉及一种X射线曝光装置，包括套筒(1)和与套筒(1)连接的移动工作台(2)，所述的套筒(1)内设置有掩模版(3)和光刻胶基板(4)，套筒(1)上设有入光口(11)，X射线通过入光口(11)进入套筒(1)内。与现有技术相比，本发明不仅可以有效保护了光刻掩模版，而且此装置可以有效提高光刻的效率以及达到高精度的光刻效果，做到批量生产。

Description

一种X射线曝光装置

技术领域

本发明涉及光学微细加工技术领域，具体涉及一种X射线曝光装置。

背景技术

光学微细加工，就是利用基本曝光手段，进行精细几何图形的产生、转印或修整，以完成各类电子器件的开发与工业生产的核心工业步骤。微机械图形尺寸的微细化，主要依赖于曝光技术的发展。因此，随着微机械设备的图形尺寸微细化及集成度的提高，套刻曝光技术的作用就越来越重要了。

同步辐射X射线深度光刻是LIGA工艺的关键工序，同步辐射X射线的波长范围在0.15nm至0.95nm，与普通X射线相比具有较好的相干性、通亮高及高深宽比等优点，获得的图像能取得较佳的衬度，图像的实空间分辨率更高。

对于X射线掩模版，要求用X射线容量大的材料作为吸收体，且要着重保护掩模版，而在现有的移动曝光过程中，为了避免X射线掩模版与PMMA的间距过近或产生菲涅尔衍射现象，因而调节间距尤为困难，会直接导致曝光后的分辨率，且会改变掩模版的温度，导致MASK膜变形，光刻胶图形精度下降。除此之外，基于LIGA工艺制造的X射线专用掩模版价格不菲，因而在X射线曝光装置中增加掩模版保护装置显得尤为重要。

对于曝光装置，参见专利《曝光机的曝光平台》(专利号CN201410193770.2)，该专利通过将升降单元安装在曝光框上，将透光板与这些升降单元结合，由升降单元驱动而朝向或原理该载台的容置区移动，当曝光平台上的真空表侦测气压达一预定值时，使透光板在抽真空过程中朝向载台的容置区移动且随着该基板平整度产生变形，而后与该载台上表面的基板贴合。由此可见，掩模版在变形的过程中可能会收到损害，由于掩模版与光刻胶紧贴，且该装置不具有移动的载物台，导致曝光效率大幅度下降。

对基于同步辐射X射线移动曝光，在专利《基于整形X射线移动曝光的微台阶加工装置及方法》(专利号CN201810794694.9)中也有相关介绍，在该专利中X射线光刻的掩模版和PMMA同时放置在He室中，将PMMA放置于X-Y移动平台上，在曝光过程中掩模版保持不动，因掩模版与抗蚀剂未被固定于He室内，光刻时掩模版与PMMA间距极近，因而PMMA在移动过程中极易磨损掩模版，且在He室内移动PMMA难度较大。在曝光时，X射线掩模版与抗蚀剂之间未能保持相对静止，导致套刻图形的精确度也不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种X射线曝光装置，可同时满足高精确性和高效性，且不易损坏X射线掩模版。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种X射线曝光装置，包括套筒和与套筒连接的移动工作台，所述的套筒内设置有掩模版和光刻胶基板，套筒上设有入光口，X射线通过入光口进入套筒内。

进一步地，所述的掩模版和光刻胶基板通过固定组件固定在套筒内。

更进一步地，所述的固定组件包括弹簧、挡板和垫片，在套筒内依次设置有掩模版、垫片、光刻胶基板、挡板和弹簧，所述的弹簧使挡板紧贴光刻胶基板，进而将垫片和掩模版压紧固定在套筒内。垫片既可用来调整光刻胶基板和掩模版之间的间隙，又可以防止在移动曝光过程中掩模版的损害。弹簧的弹力应保证有适当的力作用于光刻胶基板上。

所述的掩模版上设有透光区，在透光区末端设置有图形区，所述的透光区和入光口位置相对应。

进一步地，所述的掩模版以硅基板为掩模版主体，在掩模版主体上开设四个透光区，相应有四个图形区，每个图形区由呈立方体结构的吸光金属构成，在吸光金属上刻有图案。

更进一步地，所述的掩模版尺寸为4英寸，厚度为5mm，沿X射线照射方向图形区呈边长为30mm的正方形，且四个图形区呈正方形设置在掩模版中间位置，相邻两个图形区之间的距离为5mm。正方形的结构设计有利于光刻边缘细节化及清晰化。掩模版制备完成后可放置在玻璃基板上方便存储及运输。选用4英寸，厚度为5mm的掩模版是基于现有硅基板进行设计的，有利于提高光的透过性，增大光刻在光刻胶基板的光的强度，掩模版上相邻两个的图形区距离为5mm，有效地避免了光的衍射对光刻图案造成的误差。

所述的吸光金属包括镍铁合金、金、钨或钽。

所述的光刻胶基板由3英寸、厚度为2mm的SUS或4英寸、厚度为0.5mm的硅构成基板主体，在光刻胶基板表面旋涂有2～5μm厚的PMMA层；所述的光刻胶基板上设有防振板。光刻胶基板可固定在与套筒内腔横截面相同的支撑基板上，防振板可以协助保持光刻胶基板的相对稳定。光刻胶基板选择与掩模版尺寸相对应的SUS或硅基板，有利于增大光刻的精准度，避免浪费材料。

所述的X射线为SR的X射线，波长范围为0.15～0.95nm。SR的X射线通亮高，有利于制备高深宽比器件，本发明选择波长范围为0.15～0.95nm的X射线进行曝光，可以使曝光图案达到高纵宽比。

所述的移动工作台为X-Y工作台；所述的X射线曝光装置放入充满氦气的大曝光环境中。氦气可以抑制由于氮和氧引起的X射线的衰减。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明不同于现有技术中的将光刻胶基板固定在X-Y工作台上进行移动曝光，而是将所有的光学元件放置于套筒内，通过套筒与X-Y移动工作台的连接进行移动曝光，克服了现有技术光刻效果的不精确性，加强了各光学元件在曝光时的稳定性，提高了移动曝光的曝光面积，进一步有效的保护了X射线光刻掩模版；

2.本发明X射线曝光装置在曝光过程中，光学元件都垂直放置于套筒内，弹簧使得各元件在套筒内保持相对稳定，各元件之间的间距保持不变，有利于PMMA上被曝光处的剂量相同，提高光刻的准确性；

3.曝光工艺中最为关键的工艺是X射线光刻掩模版的制备与保护，与现有装备对比，本发明增加了掩模版与光刻胶基板之间的垫片以及在光刻胶基板上增加了防振板，都有效保护了X射线掩模版；

4.本发明掩模版的每个曝光区域中都设有若干个尺寸大小相同或不同的产品图案，只需要一次X射线曝光，能够大批量生产，克服了现有技术耗时、成本高的缺点；

5.本发明不仅可以有效保护了光刻掩模版，而且此装置可以有效提高光刻的效率以及达到高精度的光刻效果，做到批量生产；

6.本发明通过对X射线波长的选择以及掩模版和光刻胶基板等关键光学元件尺寸的选择和结构的设计，有效增强了X射线曝光的精确性和高效性。

附图说明

图1为本发明X射线曝光装置的结构示意图；

图2为本发明掩模版的主视图；

图3为本发明掩模版的俯视图；

图4为本发明掩模版放置在玻璃基板上时的主视图；

图5为本发明掩模版放置在玻璃基板上时的俯视图；

图6为本发明光刻胶基板的主视图；

图7为本发明光刻胶基板和防振板的主视图；

图8为本发明光刻胶基板、防振板和支撑基板的俯视图；

图中：1-套筒，11-入光口，2-移动工作台，3-掩模版，30-掩模版主体，31-透光区，32-图形区，4-光刻胶基板，41-基板主体，42-PMMA层，5-弹簧，6-挡板，7-垫片，8-防振板，9-X射线光源，10-玻璃基板，12-支撑基板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种X射线曝光装置，如图1所示，包括套筒1和移动工作台2，光学器件如掩模版3和光刻胶基板4固定在套筒1内，X射线光源9发射的X射线通过套筒1上开设的入光口11进入套筒1，套筒1与移动工作台2连接，移动工作台2为X-Y工作台，可提高移动曝光的精确性，通过控制X-Y工作台，提高移动曝光的曝光面积，进而提高X射线曝光的效率，且装置整体放置在充满氦气的大曝光腔中，保证了X射线的剂量不会衰减。X射线光源9发射的X射线波长范围为0.15～0.95nm，且X射线的光子能量大于1.3kev。

套筒1内从入光口11侧到与移动工作台2连接侧依次设置有掩模版3、垫片7、光刻胶基板4、挡板6和弹簧5，且在光刻胶基板4外侧套设有防振板8，

当弹簧5连接套筒1与套筒1内的挡板6时，弹簧5处于压缩状态，通过挤压挡板6来控制光刻胶基板4与掩模版3之间的距离，以减弱菲涅尔衍射造成的影响，又在光刻胶基板4与掩模版3之间放置调整间隙用垫片7，以防止在移动曝光过程中损害掩模版3。垫片7由橡胶等柔性材料制成，在压缩状态下可固定在光刻胶基板4与掩模版3之间不发生移动或掉落。

掩模版3的具体结构如图2～3所示，掩模版3以硅基板为掩模版主体30，尺寸为4英寸，厚度为5mm，硅基板表面设有透明石英玻璃，在掩模版主体30上开设有四个透光区31，在透光区31末端设置有图形区32，图形区32由镍铁合金制成，在镍铁合金上刻有图案，X射线照射时，部分X射线从图案部分透过，剩余部分X射线被镍铁合金吸收，实现对光刻胶基板4的图案投射。特别的，沿X射线照射方向图形区32呈边长为30mm的正方形，且四个图形区32呈正方形设置在掩模版3中间位置，相邻两个图形区32之间的距离为5mm。如图4～5所示，掩模版3制备完成后可放置在边长为125mm，厚度为10mm的玻璃基板10上方便储存和移动。

光刻胶基板4的具体结构如图6所示，光刻胶基板4的基板主体41由硅构成，基板主体41尺寸为4英寸，厚度为0.5mm，在基板主体41表面旋涂有2～5μm厚的PMMA层42。

如图7～8所示，在光刻胶基板4外侧套设有防振板8，由此将整体嵌套在一个与套筒1内腔横截面相同的支撑基板12上，以保持光刻胶基板4的相对稳定。

和现有的X射线曝光技术相比，本发明通过各类防振器件的结合，在有效防止在移动曝光中可能造成对X射线光刻掩模版损坏的过程中，保证了光刻图形的高精度，并结合X-Y移动平台，大大提高了移动曝光的效率。掩模版的每个曝光区域中都设有若干个尺寸大小相同或不同的产品图案，能够大批量生产，克服了现有技术耗时、成本高的缺点。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种X射线曝光装置，其特征在于，包括套筒（1）和与套筒（1）连接的移动工作台（2），所述的套筒（1）内设置有掩模版（3）和光刻胶基板（4），套筒（1）上设有入光口（11），X射线通过入光口（11）进入套筒（1）内；

所述的掩模版（3）和光刻胶基板（4）通过固定组件固定在套筒（1）内；

所述的固定组件包括弹簧（5）、挡板（6）和垫片（7），在套筒（1）内依次设置有掩模版（3）、垫片（7）、光刻胶基板（4）、挡板（6）和弹簧（5），所述的弹簧（5）使挡板（6）紧贴光刻胶基板（4），进而将垫片（7）和掩模版（3）压紧固定在套筒（1）内。

2.根据权利要求1所述的X射线曝光装置，其特征在于，所述的掩模版（3）上设有透光区（31），在透光区（31）末端设置有图形区（32），所述的透光区（31）和入光口（11）位置相对应。

3.根据权利要求2所述的X射线曝光装置，其特征在于，所述的掩模版（3）以硅基板为掩模版主体（30），在掩模版主体（30）上开设四个透光区（31），相应有四个图形区（32），每个图形区（32）由呈立方体结构的吸光金属构成，在吸光金属上刻有图案。

4.根据权利要求3所述的X射线曝光装置，其特征在于，所述的掩模版（3）尺寸为4英寸，厚度为5mm，沿X射线照射方向图形区（32）呈边长为30mm的正方形，且四个图形区（32）呈正方形设置在掩模版（3）中间位置，相邻两个图形区（32）之间的距离为5mm。

5.根据权利要求3所述的X射线曝光装置，其特征在于，所述的吸光金属包括镍铁合金、金、钨或钽。

6.根据权利要求1所述的X射线曝光装置，其特征在于，所述的光刻胶基板（4）由3英寸、厚度为2mm的SUS或4英寸、厚度为0.5mm的硅构成基板主体（41），在基板主体（41）表面旋涂有2~5μm厚的PMMA层（42）；所述的光刻胶基板（4）上设有防振板（8）。

7.根据权利要求1所述的X射线曝光装置，其特征在于，所述的X射线为SR的X射线，波长范围为0.15~0.95nm。

8.根据权利要求1所述的X射线曝光装置，其特征在于，所述的移动工作台（2）为X-Y工作台；所述的X射线曝光装置放入充满氦气的大曝光环境中。